3、4T像素结构详解
各位同学，今天我们来聊聊4T像素结构。这是图像传感器设计里最基础、也最核心的内容之一。我做了十几年像素设计，可以说4T结构是我打交道最多的老朋友了。
为什么叫4T？说白了就是四个晶体管。哪四个？传输管、复位管、源跟随器、行选管。咱们一个一个来看。
4T像素电路
先看整体结构。一个标准的4T像素，包含一个光电二极管（PD）和四个MOS管。我习惯把像素电路分成两部分看：光电转换部分和读出部分。
核心要点：4T像素的关键优势在于——它能把光生电荷和读出噪声分离开。这是3T像素做不到的。
传输管（TX）
传输管连接光电二极管和浮置扩散节点。它的作用就像一扇门。曝光期间，门关着，电荷在PD里积累。读出时，门打开，电荷全部转移到FD。
嗯，这里要注意：传输管的沟道长度不能太短。我在一个0.18μm工艺项目里吃过亏，传输管做小了，漏电严重，暗电流飙得老高。后来我把L从0.18μm改到0.35μm，问题才解决。
复位管（RST）
复位管负责把FD节点复位到高电位。通常是VDD或者VDD_PIX。复位完成后，FD的电位就是复位电平。
你想想看，复位管其实是个开关。打开时，FD被拉到高电平；关闭后，FD就浮空了。这个浮空状态很关键，因为后续的电荷转移就靠它来感应电位变化。
源跟随器（SF）
源跟随器是个共漏放大器。它的栅极接FD，源极接行选管。SF的作用是把FD上的高阻抗电压信号，转换成低阻抗输出。
我个人习惯把SF的宽长比设计得大一些，比如W/L=10/1。为什么呢？因为SF的跨导gm直接影响像素的增益。gm越大，增益越接近1，线性度越好。
行选管（RS）
行选管就是个开关。它控制着当前像素是否被选通到列总线上。只有RS打开，SF的输出才能传到列线。
浮置扩散节点（FD）
FD是整个像素的"心脏"。它是一个PN结电容，用来暂存从PD转移过来的电荷。
FD的电容值很关键。我算过一笔账：FD电容大约在1-10fF之间。电容越小，转换增益越高。但太小了也不行，容易饱和。
| 参数 | 典型值 | 影响 |
|---|---|---|
| FD电容 | 1-10 fF | 决定转换增益 |
| 转换增益 | 100-500 μV/e⁻ | 越高灵敏度越好 |
| 满阱容量 | 3000-30000 e⁻ | 决定动态范围 |
设计技巧：FD的版图布局要尽量紧凑。我一般把FD放在PD和SF之间，走线最短，寄生电容最小。
相关双采样（CDS）原理
CDS是4T像素的杀手锏。它为什么能降噪？我来解释一下。
CDS的核心思想是：对同一个像素读两次。第一次读复位电平（RST信号），第二次读信号电平（SIG信号）。两次相减，就把固定模式噪声（FPN）和复位噪声（kTC噪声）给消掉了。
具体流程是这样的：
- 复位FD，读复位电平（SHR）
- 打开TX，转移电荷
- 读信号电平（SHS）
- 输出 = SHS - SHR
我曾经遇到一个项目，CDS时序没调好，图像上出现横条纹。查了两天才发现是SHR和SHS的采样时间差太大，导致低频噪声没被抑制。后来我把采样间隔控制在1μs以内，条纹就消失了。
注意：CDS不能消除随机噪声（如散粒噪声、读出噪声）。它只对固定模式噪声和低频噪声有效。
时序控制
4T像素的时序控制，说白了就是四个开关的开关顺序。我画了一张时序图，大家看看。
时序流程是这样的：
- 复位阶段：RST打开，FD复位到高电平。然后RST关闭，FD浮空。
- 采样复位电平：RS打开，SHR采样FD的复位电压。
- 电荷转移：TX打开，PD里的电荷转移到FD。TX关闭。
- 采样信号电平：SHS采样FD的信号电压。
- 行选关闭：RS关闭，像素进入下一行。
这个时序里有个细节：RST关闭和SHR采样之间要留点时间。为什么？因为RST关闭瞬间会有电荷注入，需要等FD电压稳定了再采样。我一般留500ns到1μs的稳定时间。
经验之谈：时序设计时，TX的脉宽要足够长，确保电荷完全转移。但也不能太长，否则暗电流会累积。我通常把TX脉宽设在2-5μs之间，具体看PD大小和工艺。
好了，4T像素的核心内容就这些。记住：传输管管电荷转移，复位管管电平复位，源跟随器管信号放大，行选管管像素选通。FD是电荷暂存区，CDS是降噪利器，时序是让它们协同工作的指挥棒。
下一章我们聊聊像素的噪声分析，到时候会用到今天讲的这些知识。